Конспект урока "Кремний и его соединения. Силикатная промышленность"


Кремний и его соединения. Силикатная промышленность.
Цель: изучить свойства кремния и природных его соединений, совершенствовать знания о
строении атомов
Задачи:
образовательные: обеспечить усвоение знаний о строении кремния, значении кремния
и его соединений и их практическом применении.
воспитательные: воспитывать культуру на примере традиций русского народного
художественного промысла
развивающие: развивать умение анализировать, выделять главное, устанавливать
причинно-следственные связи, исходя из строения и свойств, умение владеть
химической терминологией, чётко формулировать и высказывать мысли, интерес к
предмету, эрудицию.
Ход урока:
1.Оргмомент
2 Проверка домашнего задания
1. Общая характеристика углерода и нахождение его в природе(у)
2. Физические свойства аллотропных видоизменений углерода(п)
3. Химические свойства углерода (п)
4. Характеристика оксида углерода (п)
5. Характеристика угольной кислоты(п)
6. Для класса: цепочка превращений стр. 135 упр. 6
3 Изучение нового материала
Учитель: Сегодня продолжаем изучать не металлы, и кремний является
заключительным уроком по изучению большого раздела неметаллов и их соединений. Как
бы вы сформулировали цели урока? (Формулируют цель сами. Записывают в тетрадь).
А теперь охарактеризуйте кремний по положению в ПСХЭ: положение,
строение атома, С.О. высшая и низшая, характерные соединения – высший оксид и его
характер, гидроксид. (Выполняют самостоятельно, один учащийся комментирует, затем
учащиеся сверяют записи с презентацией). (Слайд 2)
В природе кремний — второй по распространенности после кислорода химический
элемент. Земная кора более чем на четверть состоит из его соединений. Наиболее
распространенным соединением кремния является его диоксид SiO2, другое его название
кремнезем. В природе он образует минерал кварц (рис. 46) и многие разновидности,
такие, как горный хрусталь и его знаменитая лиловая форма — аметист, а также агат,
опал, яшма, халцедон, сердолик, которые известны как поделочные и полудрагоценные
камни. (Слайд 3-4).
Важнейшее соединение кремния – оксид SiO
2
. Он придает прочность стеблям растений
и защитным покровам животных. Благодаря ему тростники, камыши и хвощи стоят
крепко, как штыки, острые листья осоки режут, как ножи, стерня на скошенном поле
колет, как иголки, а стебли злаков настолько крепки, что не позволяют ниве на полях
ложиться от дождя и ветра. Чешуя рыб, панцири насекомых, крылья бабочек, перья птиц и
шерсть животных прочны, так как содержат кремнезем.
Кремний придает гладкость и прочность костям человека.
Кремний входит и в состав низших живых организмов — диатомовых водорослей и
радиолярий, — нежнейших комочков живой материи, которые создают свои
непревзойденные по красоте скелеты из кремнезема. (Слайд 5).
Из разновидностей минералов на основе диоксида кремния — кремня, халцедона и
других первобытные люди изготовляли орудия труда. Именно кремень, этот невзрачный и
не очень прочный камень, положил начало каменному веку — веку кремневых орудий
труда. Причин этому две: распространенность и доступность кремня, а также его
способность образовывать при сколе острые режущие края. (Слайд 6).
Название этого элемента произошло от латинского “ляпис креманс”,что значит –
камень, дающий огонь. Так назывался твердый камень, дававший при ударе искру и
долгое время служивший человеку вместо спичек для получения огня.
Кремний был открыт в 1811 году Гей – Люссаком и Тенаром, но он был слишком
загрязнён примесями. В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием
металлического калия на фторид кремния SiF4 получил чистый элементарный кремний.
Новому элементу было дано название “силиций” ( от лат. silex – кремень ). Русское
название “кремний” введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем
Гессом. В переводе с греческого kremnos утес, гора ”. (Слайд 7).
Кристаллический кремний-это вещество темно-серого цвета со стальным блеском.
Структура кремния аналогична структуре алмаза: кристаллическая решетка кубическая
гранецентрированная, но из-за большей длины связи между атомами Si-Si по сравнению с
длиной связи C-C твердость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний очень
хрупок, его плотность 2,33 г/см3 .
Как и уголь, относится к тугоплавким веществам. Полупроводник. tплав(Si)=1415 ˚C.
(Слайд 8).
Известен аморфный и кристаллический кремний. Поликристаллический кремний
Кристаллический – тёмно-серое вещество с металлическим блеском, большая
твёрдость, хрупок, полупроводник; ρ = 2,33 г/см3, t°пл. = 1415 °C; t°кип. = 2680 °C.
Имеет алмазоподобную структуру и образует прочные ковалентные связи. Инертен.
Аморфный - бурый порошок, гигроскопичен, алмазоподобная структура, ρ = 2 г/см3,
более реакционноспособен. (Слайд 9).
В промышленности кремний получают восстановлением кремнезема SiO2 коксом в
электрических печах при 1500-17000С:
SiO
2
+ 2C → Si + 2CO
В лаборатории:
SiO
2
+ 2Mg → Si + 2MgO
3SiO
2
+ 4Al → 3Si + 2Al
2
O
3
Чистый кремний получают:
SiCl
4
+ 2Zn↑ → Si + ZnCl
2
(Слайд 10).
Химические свойства:
а) восстановительные
1) Si + O
2
=SiO
2
2) Si + 2CL
2
= SiCL
4
3) Si + S = SiS
2
4)Si + 2H
2
O (пар) = SiO
2
+ H
2
5)Si + C = SiC (карборунд)
6)Si +2NaOH(конц) + H
2
O = Na
2
SiO
3
+ H
2
7)Si + 4HF = SiF
4
+ 2H
2
б) окислительные
Si + 2Ca = Ca
2
Si (Слайд 11).
Оксид кремния(IV), или диоксид кремния, или кремнезем, как и С02, является
кислотным оксидом. Однако в отличие от С02 имеет не молекулярную, а атомную
кристаллическую решетку. Поэтому SiO2 твердое и тугоплавкое вещество, бесцветное,
(температура плавления 1700°С). У него много модификаций: горный хрусталь, аметист,
раухтопаз, морион и многие другие. (Слайд 12-14).
Он не растворяется в воде и кислотах, кроме, как вы знаете, плавиковой, но
взаимодействует при высоких температурах со щелочами с образованием солей
кремниевой кислоты — силикатов.
1. При сплавлении его с твердыми щелочами, основными оксидами и карбонатами
образуются соли кремниевой кислоты: метасиликаты.
а) SiO
2
+ 2NaOH = H
2
O+ Na
2
SiO
3
б) SiO
2
+ CaO = CaSiO3
в) SiO
2
+ Na
2
CO
3
= Na
2
SiO
3
+ CO
2
2. Реагирует со щелочами в растворе (образует ортосиликаты).
Кип.
SiO
2
(ам.)+ 4NaOH = Na
4
SiO
4
+ 2H
2
O
3. Взаимодействует только с плавиковой кислотой:
SiO
2
+ 4НF = SiF
4
+ 2H
2
O
4. В воде оксид кремния (IV) не растворяется и с ней химически не взаимодействует.
5. Окислительно-восстановительные реакции:
Взаимодействие с металлами
При температуре выше 1000 °С реагирует с активными металлами, при этом образуется
кремний:
SiO
2
+ 2Mg → Si + 2MgO
или при избытке восстановителя – силициды:
SiO
2
+ 4Mg → Mg
2
Si+2MgO.
Взаимодействие с неметаллами
Реагирует с водородом:
SiO
2
+ 2Н
2
→ Si + 2Н2O.
Взаимодействует с углеродом:
SiO
2
+ 3С → SiС + 2СO. (Слайд 15-16).
Кремниевые кислоты:
H
2
SiO
3
кислота очень слабая, в воде мало растворима. Как и оксид имеет атомную
кристаллическую решетку.
Состав кремниевых кислот представляют в виде формул: nSiO
2
*mH
2
O.
Кислоты с различным числом m легко переходят друг в друга и не могут быть
выделены в чистом виде. (Слайд 17).
Силикатная промышленность отрасль промышленности, занимающаяся
переработкой природных соединений кремния. Область применения кремния очень
велика. Из него получают оконное, ламповое, зеркальное и другие виды стекла.
Другим важным материалом, на основе соединений кремния, является цемент. Его
получают спеканием известняка и глины в специальных печах. Всем этим занимается
силикатная промышленность, а ещё производством кирпича, фарфора, фаянса.
Кремний применяется в солнечных батареях, фотоэлементах,
Электронике. (Слайд 18).
Один ученик сообщает о производстве стекла.
Вывешивается девиз.
“Пою перед тобой в восторге похвалу, не камням дорогим, ни злату, но стеклу”.
М.В. Ломоносов
Сейчас невозможно точно сказать, кто и когда изобрел стекло. Известно лишь, что
стекло является одним из древнейших изобретений человечества. Так, ожерелье,
найденное на шее мумии египетской царицы Хатшепсут, состоящее из зеленовато
черных стеклянных бусин, насчитывает 3400 лет. Большими мастерами производства
различных изделий из стекла были римские стеклоделы. Они делали кувшины для воды ,
масла и вина, чаши и кубки, вазы, слезницы крошечные флакончики для духов. Большой
вклад в развитие художественного стеклоделия в России был внесен Ломоносовым. В
созданной им в 1748 году химической лаборатории было проведено около 4000 опытов по
варке цветного стекла, для которых Ломоносов “не только рецепты сочинял, но и
материалы … своими руками по большей части развешивал и в печь ставил…” На основе
рецептов, разработанных Ломоносовым, стекольный завод в Усть– Рудице в 1753 году
начал изготавливать разноцветное прозрачное стекло для выделки бисера, посуды и
прочих галантерейных изделий и непрозрачное для мозайки. Из такого стекла Ломоносов
выполнил несколько мозаичных картин, среди которых “Полтавская баталия”,
получившая наибольшую известность и сохранившаяся до наших дней.
Состав обычного оконного стекла выражается формулой Na
2
O*CaO*6SiO
2
Cырьём для производства обычного стекла служат кварцевый песок, сода и известняк.
Эти вещества тщательно перемешивают и подвергают сильному нагреванию. Химизм
процесса можно представить так: при сплавлении образуются силикаты натрия и кальция,
которые сплавляются затем с кремнеземом (в избытке):
SiO
2
+ Na
2
CO
3
= Na
2
SiO
3
+ CO
2
SiO
2
+ CaCO
3
= CaSiO
3
+ CO
2
Na
2
SiO
3
+ CaSiO
3
+ 4SiO
2
= Na
2
O*CaO*6SiO
2
Для получения специального стекла изменяют состав исходной смеси. Заменяя соду
Na
2
CO
3
поташом K
2
CO
3
, получают тугоплавкое стекло (для химической посуды). Заменяя
мел CaCO
3
оксидом свинца (II) PbO , а соду поташом, получают хрустальное стекло. Оно
довольно мягкое и плавкое, но весьма тяжёлое, отличается сильным блеском и высоким
коэффициентом светопреломления, разлагая световые лучи на все цвета радуги и вызывая
игру света.
Включение оксида бора вместо щелочных составляющих придаёт этому стеклу
свойства тугоплавкости.
Обычная стеклянная масса после остывания имеет желтовато – зелёный или голубовато
зелёный оттенок. Стеклу можно придать окраску, если в состав шихты произвести
включение тех или иных оксидов металлов. Железистые соединения окрашивают стекло в
цвета – от голубовато – зелёных и жёлтых до красно – бурых, оксид марганца (IV) – от
жёлтых и коричневых до фиолетовых, оксид хрома (III) в травянисто - зелёный, оксид
кобальта (II) - в синий , оксид никеля (II) – от фиолетового до серо – коричневого,
сульфид натрия – в жёлтый, оксид меди (II) – в красный.
В жизни человека стекло приобрело огромное значение. Оно видно всюду, оно на
каждом шагу – в повседневности нашего быта, в промышленности, в технике, в науке, в
произведениях искусств. Оконное, бутылочное, ламповое, зеркальное, стекло домашней и
лабораторной посуды, стекло оптическое ( от стекол очков до сложных анастигматов
фотокамер), линзы бесконечных оптических приборов – от микроскопов до телескопов.
Трудно перечислить все области применения стекла и невозможно сосчитать различные
предметы, сделанные из него. Этот материал, благодаря уникальным свойствам, радует и,
вероятно, чаруя, всегда будет присутствовать в жизни способного ценить его красоту.
Рефлексия и подведение итогов занятия
Осуществите превращения по схеме:
1) Si → SiO
2
→ Na
2
SiO
3
→ H
2
SiO
3
→SiO
2
2) Si → Mg
2
Si → SiH
4
SiO
2
3) Si → Na
2
SiO
3
Домашнее задание: §31, конспект урока выучить, упр.1, 4, 5 после параграфа, ЛСМ –
кремний простое вещество.